DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE VÍDEO GIGANTE FRAGMENTADO - SISTEMA VIDEO WALL

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1 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE VÍDEO GIGANTE FRAGMENTADO - SISTEMA VIDEO WALL José Luis Arrieta Concha

2 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE VÍDEO GIGANTE FRAGMENTADO - SISTEMA VIDEO WALL Primera edición digital Julio, 2011 Lima - Perú José Luis Arrieta Concha PROYECTO LIBRO DIGITAL PLD 0157 Editor: Víctor López Guzmán guzlopster@gmail.com guzlopnano@gmail.com facebook.com/guzlop twitter.com/guzlopster Lima - Perú

3 PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD) El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados. Un libro digital, también conocido como e-book, ebook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso. Entre las ventajas del libro digital se tienen: su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad), su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica), su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural), su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento), su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investigación de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras. Algunos objetivos que esperamos alcanzar: Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital. Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta. Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías. El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente. El personal docente jugará un rol de tutor, facilitador y conductor de proyectos

4 de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electrónicas recomendadas. Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso. En el aspecto legal: Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita. Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital. Lima - Perú, enero del 2011 El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica Víctor López Guzmán Editor

5 Memorias - XVII CONIMERA Diseño e implementación de un sistema de vídeo gigante fragmentado - sistema video wall José Luis Arrieta Concha Universidad de Ciencias Aplicadas (UPC) Facultad de Ingeniería Escuela Profesional de Ingeniería Electrónica, Lima Perú u320301@upc.edu.pe Glenda Iveth Falconi Huamán Universidad de Ciencias Aplicadas (UPC) Facultad de Ingeniería Escuela Profesional de Ingeniería Electrónica, Lima Perú a910086@upc.edu.pe Guillermo Kemper Vásquez Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas (UPC) Facultad de Ingeniería- Escuela Profesional de Ingeniería Electrónica, Lima Perú pcelgkem@upc.edu.pe Resumen.- El presente proyecto propone el desarrollo de un sistema digital capaz conformar una imagen de vídeo gigante a través de varios monitores. Cada monitor reproducirá la información de vídeo que le corresponde de acuerdo al lugar espacial que le ha sido asignado. El proyecto se enfoca específicamente en el desarrollo de un sistema de Vídeo Wall aprovechando el poder de procesamiento de computadores convencionales, a fin de que el sistema realice el procesamiento de la información en tiempos razonables. Con esto, se pretende reducir enormemente los costos que implicaría la adquisición de un sistema convencional de Vídeo Wall. El sistema propuesto utiliza una red de computadores y un software de procesamiento de imágenes que permite decodificar la información de vídeo de un archivo AVI o MPEG. Con ello, las imágenes contenidas en el vídeo podrán ser recortadas, agrandadas y preparadas, para su presentación en formato de Vídeo Wall. El procesamiento aplicado apunta también a conservar la calidad visual del vídeo original. Una vez obtenido los archivos del formato Vídeo Wall, una computadora (servidor) se encargará de proporcionar las órdenes de reproducción y las señales de sincronización a través de la red. De esa forma se asegura una presentación simultánea y sincronizada de cada uno de los archivos de Video Wall que fueron procesados en las computadoras que conforman el sistema. 1. Introducción En la actualidad la necesidad de los medios publicitarios es un factor que debe ser cubierto a la brevedad, puesto que la publicidad en medios masivos es un lujo que está, lamentablemente, al alcance de muy pocos. Esto se debe a que la mayoría de los medios más llamativos son de alto costo. Sin embargo, la creación de un producto que pueda cubrir las necesidades, adquiriendo diversas opciones de acceso a éste, puede ser de gran ayuda en el mercado local. En estos tiempos, los sistemas de Vídeo Wall son usados para una serie de aplicaciones que van desde el entretenimiento (conciertos, vídeo juegos y discotecas) hasta las aplicaciones militares (planes de batalla y escenarios de operaciones). En ese sentido los sistemas de Vídeo Wall poco a poco han ido cobrando importancia para su uso en aplicaciones cotidianas. Sin embargo, estos sistemas son excesivamente costosos (en algunos casos bordeando los cientos de miles de dólares) 1, ya que se requiere de la aplicación de tecnología moderna de hardware para el procesamiento de imágenes y sonido en tiempo real. Muchas empresas locales sin embargo que operan en el área del entretenimiento y publicidad no necesitan estas soluciones tan elaboradas, por lo que se propone este sistema de Vídeo Wall, 343

6 Colegio de Ingenieros del Perú - CDL - Capítulo de Ingeniería Mecánica y Mecánica Eléctrica apuntando cubrir sus necesidades y requerimientos. 2. Planteamiento del problema Un sistema de Video Wall convencional es utilizado por empresas para propósitos publicitarios y/o de entretenimiento. Sin embargo, debido a los elevados costos que este sistema tiene, muchas de estas empresas no pueden adquirirlo. 3. Propuesta de solución Se vió por conveniente diseñar un sistema de Vídeo Wall utilizando los recursos de hardware y redes existentes en la actualidad, minimizando así los costos requeridos para la adquisición e instalación de dicho sistema. De esta manera se está logrando que estos sistemas se encuentren al alcance de las empresas que lo requieran. al software encargado de hacerlo se le llama CODEC. En vídeo, se puede tener la película con imágenes en formato MPEG-2 (este es el formato estándar y es en el que por ejemplo transmiten las televisoras digitales, la televisión por satélite y la televisión por cable), MPEG-4 (esta es la evolución del formato MPEG-2, con más compresión sin perder mucha calidad), DV (este es el formato de las cámaras digitales) y luego se encuentra el formato DivX. DivX es al vídeo lo que el MP3 es al audio. Comprime una película en un factor de 50 y tiene la calidad como la de un DVD. No obstante hay otros formatos que también realizan lo mismo como el Xvid. Los archivos AVI pueden ser creados con un formato de vídeo y otro de sonido. De esa forma se pude encontrar AVI con DivX-MP3,DivX-OGG, Xdiv-MP3, MPG4-MP3, etc. 4. Marco teórico 4.1 Archivos AVI Los archivos AVI son un caso especial de archivos RIFF (Resource Interchange File Format o Formato de Archivos para el Intercambio de Recursos), un formato de propósito general para el intercambio de datos multimedia que fue definido por Microsoft e IBM hace algunos años. AVI son las siglas de Audio y Video Intercalado (Audio Video Interleave), y es el formato de datos de audio y vídeo mas usado para las PC s. Este formato permite enviar en forma intercalada la información de vídeo y de audio a una tasa de 15 cuadros por segundo, proporcionando una resolución espacial de hasta 320x256 en color verdadero (true color). Para el almacenamiento/reproducción de vídeo y audio, existen varias soluciones. Se puede grabar audio sin ningún tipo de compresión (formato PCM), o por ejemplo aplicar algún tipo de solución para poder reducir el número de muestras que se debe de tomar. Existen varios métodos para que un vídeo o audio vean reducido su tamaño sin perder demasiada calidad. Al proceso de pasar de una señal analógica a una digital o viceversa, se le denomina Codificación/Decodificación, y por ello 4.2 Fundamentos de Tratamiento de Imágenes Una imagen digital es un arreglo bidimensional. En esta matriz cada elemento representa una intensidad de luz y tiene una posición en que almacena una serie de parámetros propios de la imagen. Cada punto es llamado de PEL o PIXEL. Cada píxel está conformado por 3 parámetros, los cuales representan las intensidad de los colores primarios de luz, en este caso el color rojo (R) verde (G) y azul (B) Interpolación de Imágenes El interpolar permite aumentar o disminuir (escalar en un factor mayor que 1) las dimensiones de una imagen digital. Esta acción se lleva a cabo cuando el tamaño del área espacial de reproducción es mayor que el tamaño de la imagen Interpolación de Orden Cero Es una técnica sencilla que se basa en la replica de píxeles, «pintando» cada punto de la imagen más de una vez. Sin embargo, el método genera un efecto de tablero de ajedrez o pixelado, que es bastante desagradable para la vista. En la Fig. 1 se muestra el proceso de interpolación de orden cero. 344

7 Memorias - XVII CONIMERA bidimensional puede generar un gran número de casos especiales. Por este motivo, la forma más frecuente de implementar la interpolación bilineal consiste en usar la interpolación lineal sobre las filas (o columnas de la imagen) y usar nuevamente el mismo algoritmo sobre las columnas (o las filas). El resultado es idéntico al obtenido por el algoritmo bidimensional A C B D Fig. 1. Esquema de proceso de interpolación de orden cero Interpolación Bilineal Una forma de evitar el efecto de tablero de ajedrez consiste en usar valores promedios para los puntos que se va a colocar entre los puntos reales de la imagen. Por ejemplo, si se necesita aumentar la resolución de una imagen en un factor de 3/2, se puede insertar entre cada par de puntos, otro que sea el valor promedio de los cuatro vecinos del punto a insertar 1. Gráficamente, si A, B, C y D son los píxeles reales de la imagen, se puede insertar los puntos a, b, c, d y e como se indica en la Fig. 2. Fig. 3. Proceso de Interpolación Bilineal (factor 2) Interpolación Bicúbica A C B D b = (A+C)/2 A b c = (A+B+C+D)/4 C e = (C + D)/2 a c e a = (A+B)/2 B d D d = (B + D)/2 A pesar de que la interpolación bilineal supera considerablemente a la interpolación de orden cero anulando el efecto pixelado, existen otros métodos que pueden mejorar aun mas la calidad de la imagen, Es así que se tiene el método de interpolación bicúbica, el cual utiliza los valores de los 16 píxeles vecinos. Fig. 2. Proceso de Interpolación Bilineal (factor 3/2) La Fig. 3 ilustra el procedimiento para un escalamiento en un factor de 2. La interpolación bilineal puede resultar tediosa de programar porque en ocasiones los puntos que se inserta no están a la misma distancia de los puntos reales; esto en el caso El método de interpolación bicúbica mejora la calidad de la imagen, puesto que también toma en cuenta la definición de los bordes. Esto resulta en una imagen mas definida en sus bordes (toma en cuenta detalles específicos) pero en ocasiones la imagen se suele opacar. En la Fig. 4 se muestra las consideraciones para la interpolación bicúbica (obtención de los puntos estimados). 345

8 Colegio de Ingenieros del Perú - CDL - Capítulo de Ingeniería Mecánica y Mecánica Eléctrica a un CD-ROM (que es 4 veces más pequeño en capacidad), como se mencionó líneas arriba. 5. Resultados Para mejorar la visualización del sistema y poder optimizar las pruebas, se implementó un hardware provisional que se muestra en la Fig. 5. Con este hardware se pude dar inicio al software. Inicialmente se debe ejecutar los clientes y finalmente el servidor o viceversa, sin embargo no se debe iniciar el servidor en intermedio del inicio de los clientes. Fig. 4.- Obtención de los puntos estimados para la interpolación bicúbica De acuerdo a lo mostrado en la Fig. 4 la interpolación bicúbica puede ser expresada como. F( i, j ) = 2 2 m= 1n= 1 F( i + m, j + n) R( m dx) R( dy n) (1) donde : [ P( x + 2) 4P( x + 1) + 6P( x) 4P( 1) ] 1 R( x) = x 6 x P( x) = 0 x > 0 x Codificador / Decodificador DivX (2) (3) DivX es una forma de comprimir las imágenes, nacido como alternativa a los DVDs. Su calidad supera al de las cintas de vídeo VHS y se asemeja a la calidad que se puede obtener en un DVD, pero reduciendo la tasa de datos a menos de 1 Mbps. Técnicamente, DivX es un formato de codificación de vídeo que funciona sobre Windows 9x y NT. Combinado con la compresión de audio MP3, consigue una alta calidad de imagen superior a la del VHS con una tasa inferior a 1 Mbit/s. Esto significa poder tener una película de más de 2 horas en un CD convencional de los que se compran en cualquier comercio (de 650, 700 o 900 MB). DivX, se basa en el mismo estándar que los DVDs (llamados MPEG-1, MPEG-2 y el último MPEG- 4), pero hace posible copiar una película de DVD Fig. 5. Hardware provisional A continuación se presenta el detalle la implementación para el proceso de comunicación entre el servidor y clientes: Se establece conexión entre las diferentes computadoras con el servidor (Fig. 6). Una vez que la conexión de todas ellas se ha realizado, se activa «Conexión establecida». Esta conexión se realiza puesto que cada uno de los ordenadores (al conectarse al servidor) envía un dato de conexión. Al recibir la confirmación de que cada uno de los ordenadores ha logrado la conexión, el servidor procede a enviar a todos ellos la respuesta de «Conexión Establecida» como se observa en la Fig. 7. Fig. 6. Ventana de control y elección de los parámetros del Vídeo Wall 346

9 Memorias - XVII CONIMERA Una vez que se ha elegido el archivo a ser interpolado, el siguiente paso en el servidor es elegir el tamaño final de los archivos para las diferentes computadoras 6. Como se observa en la Fig. 10 el servidor se encarga de esta elección. Fig. 7. Ventana en el cliente confirmando el estado de conexión establecida De la misma manera como se realiza la conexión se inicia la elección del archivo a ser interpolado. Este archivo debe ser grabado en cada una de las máquinas que conforman al sistema de «Video Wall», puesto que el servidor le indica la ruta desde donde cada uno de los ordenadores deben levantar el archivo. En caso de que la elección haya sido incorrecta, el programa permite entrar nuevamente a la opción «Abrir archivo» y poder realizar el cambio, que será visualizado también en los demás ordenadores. Ver Fig. 8 y Fig. 9. Fig. 10. Ventana del servidor para elección del tamaño de Vídeo Wall Cabe mencionar que una vez elegido el archivo, se muestra en el cliente la ventana de información de AVI con las características del archivo elegido. (Ver Fig. 11) Fig. 11. Ventana del cliente mostrando que ha recibido el tamaño del Vídeo Wall Cuando se culmina con la elección del tamaño del Vídeo Wall se debe elegir el tipo de interpolación. Esto se realiza igualmente a través del servidor. Cuando se culmina con la elección se visualiza esta información en los ordenadores. De igual manera cualquier cambio en la elección será visualizado (Ver Fig. 12 y 13). Fig. 8. Ventana del servidor para elección del archivo a interpolar Fig. 12. Ventana del servidor para elección del tipo de interpolación. Fig. 9.Ventana del cliente mostrando que ha recibido la ruta correctamente. Fig. 13. Ventana del cliente mostrando que ha recibido el tipo de interpolación. 347

10 Colegio de Ingenieros del Perú - CDL - Capítulo de Ingeniería Mecánica y Mecánica Eléctrica Una vez que el proceso de creación del archivo AVI interpolado a culminado, se puede proceder a la reproducción del mismo. Es así, que si en el servidor se da la orden de reproducción, todos los clientes simultáneamente se dirigirán al entorno de reproducción como se muestra en la Fig. 14. Dentro de este reproductor se tiene la opción de elegir el archivo que se desea reproducir. Esto se muestra en la Fig. 17. Fig. 17. Reproductor con la opción de elegir el vídeo a reproducir. Fig. 14. Entorno de reproducción del sistema de Vídeo Wall. Este reproductor se muestra al detalle en la Fig. 15 para el servidor y en la Fig. 16 para el cliente. Cabe resaltar que todo el proceso de reproducción se maneja de manera automática a través del servidor, puesto que al concluir la creación del archivo interpolado, el reproductor en el servidor indica todos los controles simultáneamente de los clientes. (Ver Fig. 17) Cuando se ha elegido el archivo a reproducir y se presiona «play» dentro de los controles (véase Fig. 18) que se muestran, el Sistema de Vídeo Wall empieza a mostrar el vídeo. Cabe mencionar que la reproducción es alternativa puesto que es posible detener el vídeo que se está reproduciendo y elegir otro. (Ver Fig. 19, Fig. 20). Fig. 18. Controles de la zona de reproducción. Fig. 15. Ventana del servidor mostrando la zona de reproducción. Fig. 16. Ventana del cliente mostrando que el servidor le ha indicado entrar a la zona de reproducción. Fig. 19. Reproducción de Vídeo

11 Memorias - XVII CONIMERA lo que el vídeo usado para esta presentación ha sido procesado usando la interpolación bilineal. 7. Recomendaciones Se recomienda considerar que el software usado para el sistema de Video Wall es propenso a errores puesto que no se han considerado todos los eventos posibles que causen error en el proceso. Fig. 20. Reproducci ón de V ídeo Conclusiones Se logra comprobar que es factible el manejo del sistema de Video Wall haciendo uso de un servidor que automáticamente se encarga de repetir el mismo proceso en el resto de los ordenadores. Se concluye que a pesar de elegir un método de interpolación óptimo para la mejora de la calidad (Interpolación Bic úbica), el tiempo de procesamiento necesario para este método hace ineficiente la aplicaci ón del mismo. Se concluye el método de interpolación bilineal para vídeo, tiene una semejanza con el método de interpolación bicúbica puesto que la definición de los bordes que arroja la bicúbica es imperceptible por el movimiento de las imágenes. Se comprueba que es necesario que el vídeo procesado sea comprimido, ya que se hace más manejable. Por lo tanto, el tamaño en píxeles de los cuadros de dicho vídeo debe ser (obligatorio) múltiplo de 2 para las filas y m últiplos de 4 para las columnas. Solo así se podrá comprimir hasta en un factor de 200 aproximadamente (el compresor a usar será el DivX). El t iempo de l a i nterpolación b icúbica e s significativamente mas elevado que la bilineal por Se recomienda utilizar la interpolaci ón bilineal, puesto que el tiempo de la interpolación bicúbica es significativamente mas elevado. Es así que los videos han sido procesados usando preferentemente la interpolación bilineal. Bibliografìa 1. PIXELL ELECTRONIC GONZALES, Rafael y WOODS, Richard Tratamiento Digital de Imágenes DIGITAL PHOTOGRAPHY REVIEW Digital_Imaging/Interpolation_01.htm GONZALES RUIZ, Vicente «Técnicas Informáticas de Imagen y Sonido» imagen_y_sonido/2005/practicas/3- Zoom_en_imagenes/zoom_imagenes.pdf OPENDML AVI M-JPEG FILE FORMAT SUBCOMMITTEE «OpenDML AVI File Format Extensions» avidef.pdf GOPALAKRISHNA, P. «The Codec Project» createmovie.asp WHISCHIK, Lucian «AVI example code for creating AVI files» avi_utils.html

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